Магнитная система накопителя с электрон-позитронными встречными пучками ВЭПП-2000 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

ШАТУНОВ Петр Юрьевич

МАГНИТНАЯ СИСТЕМА НАКОПИТЕЛЯ С ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННЫМИ ВСТРЕЧНЫМИ ПУЧКАМИ ВЭПП-2000

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

-8 ДЕК 2011

НОВОСИБИРСК - 2011

005006664

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

КООП - доктор физико-математических наук,

Иван Александрович Учреждение Российской академии наук

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ВИНОКУРОВ - доктор физико-математических наук,

Николай Александрович профессор, Учреждение Российской

академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ИВАНОВ - доктор физико-математических наук,

Сергей Владиславович член-корреспондент РАН,

ГНЦ РФ «Институт физики высоких энергий», г. Протвино.

ВЕДУЩАЯ - Объединенный институт ядерных

ОРГАНИЗАЦИЯ исследований, г. Дубна.

Защита диссертации состоится « </у » ОВШдР^_2011 г.

в « 00 » часов на заседании диссертационного Совета Д 003.016.03 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

Автореферат разослан « » _2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Актуальность представленной работы определяется, в первую очередь, физической программой коллайдера ВЭПП-2000: измерение сечения рождения адронов в электрон-позитронной аннигиляции в области энергий от 0.4 до 2 ГэВ в системе центра масс. Результаты экспериментов на ВЭПП-2000 внесут существенный вклад в вычисления в рамках Стандартной модели величины аномального магнитного момента мюона (9 ~ 2)м, где расхождение между экспериментом и теорией составляет 3.5а. Кроме того, появляется уникальная возможность изучения протон-антипротонных и нейтрон-антинейтронных пар вблизи порога рождения.

Для решения поставленных задач на ВЭПП-2000 требуется достичь светимости 1 • 1032 см"2с-1. В связи с этим особую актуальность приобретает реализация концепции "круглых" пучков, как единственный способ получения светимости при отсутствии возможности организации многос-густкового режима.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является создание магнитной системы накопителя с электрон-позитронными встречными пучками ВЭПП-2000 на энергию от 200 МэВ до 1 ГэВ и со светимостью до 1 • 1032 см~2с-1. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи: разработать электронно-оптическую схему коллайдера, удовлетворяющую условиям, которые накладывает концепция "круглых" пучков, позволяющая получить значение параметра пространственного заряда £ = 0.15; для основных магнитных элементов структуры — поворотные магниты с полем до 24 кГс, квадрупольные линзы с градиентом магнитного поля до 5.2 кГс/см — провести компьютерные расчеты и измерения магнитных полей с соответствующим анализом; разместить в структуре сверхпроводящие соленоиды финального фокуса с полем 13 Т и корректирующие магнитные элементы, включая секступоли, горизонтальные и вертикальные дипольные коррекции, скью-квадруполи; выбрать источники питания, позволяющие достичь проектных величин полей в магнитных элементах при достаточной стабильности; предусмот-

реть надежную систему защит и блокировок; разработать систему корректирующих магнитных элементов; создать систему автоматизированного управления и контроля магнитными элементами; создать систему измерения энергии пучков в накопителе.

Личный вклад автора

Личное участие автора в получении результатов, составляющих основу диссертации, является определяющим. Он принимал активное участие в моделировании параметров электронно-оптической схемы установки. Им непосредственно проведены расчеты физической модели поворотных магнитов и квадрупольных линз. Под его руководством проходили работы по измерению магнитного поля в поворотных магнитах, включая создание стенда магнитных измерений. Он является автором ядра системы управления основными магнитными элементами накопительного кольца ВЭПП-2000 и системы измерения энергии пучков по оперативным измерениям магнитного поля в элементах. Автор также участвовал в разработке и создании системы защиты сверхпроводящих соленоидов и наладке источников питания. Кроме того, автор является активным участником запуска установки, настройки режимов работы и проводимых на ней экспериментов.

Научная новизна

Накопитель с встречными электрон-позитронными пучками ВЭПП-2000 — первая установка, электронно-оптическая схема которой удовлетворяет всем условиям принципа "круглых" пучков. Принцип "круглых" пучков, в основе которого лежит дополнительный интеграл движения — сохранение продольной компоненты момента импульса — позволяет повысить параметр пространственного заряда, значение которого ограничено эффектами встречи. Данный принцип был предложен в начале 90-х годов в ИЯФ, однако на практике опробован не был.

Для реализации "круглых" пучков на ВЭПП-2000 впервые в мире применена финальная фокусировка с помощью сильных сверхпроводящих соленоидов с полем до 13 Т. Не менее уникальным свойством магнитной структуры ВЭПП-2000 является использование поворотных магнитов с рабочим диапазоном полей от 5 до 24 кГс. При этом магниты спроек-

тированы так, что обеспечивают достаточную однородность поля при любой энергии накопителя и тем самым не ограничивают динамическую апертуру.

Научная и практическая ценность

Научной ценностью данной работы является тот факт, что коллайдер ВЭПП-2000 приступил к выполнению программы физических экспериментов с детекторами СНД и КМД-3. Примененный принцип организм ции электронно-оптической схемы установки позволяет достигать высоких значений светимости. В экспериментальном сезоне 2011 года двумя детекторами был набран интеграл светимости ~ 45 пб-1, что составляет более половины всей статистики, накопленной на ВЭПП-2М за 25 лет эксплуатации. Практическая ценность проделанной работы проявляется в высокой надежности созданной магнитной системы. Электронно-оптическая схема коллайдера позволяет варьировать параметры пучков в широких пределах для работы в различных режимах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Найден вариант построения электронно-оптической схемы нового накопителя с круглыми встречными электрон-позитронными пучками.

2. Создана магнитная система коллайдера, и в двух экспериментальных заходах с детекторами КМД-3 и СНД доказана ее работоспособность во всем рабочем диапазоне энергий вплоть до 1 ГэВ.

3. Настроена система стабилизации и определения энергии пучков в накопителе по измерениям параметров магнитных элементов. Проведена абсолютная калибровка энергии пучков по массе ф—мезон-ного резонанса и методом резонансной деполяризации.

4. Экспериментально проверена концепция круглых встречных пучков.

5. Реализована автоматизированная система управления и контроля магнитных элементов и источников их питания, построенная на принципах разделения подсистем и предоставляющая широкие возможности для работы операторов комплекса.

Апробация работы

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих конференциях и рабочих совещаниях:

10th European Particle Accelerator Conference (EPAC 06, Edinburgh, Scotland), 20th Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC'2006, Новосибирск, Россия), 11th European Particle Accelerator Conference (EPAC 08, Magazzini del Cotone, Genoa, Italy), 40th ICFA ABDW 2008 (Novosibirsk, Russia), 21th Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC'2008, Звенигород, Россия), 12th International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS'2009, Kobe, Japan), 13th ISTC SAC Seminar "New Perspectives of High Energy Physics" (2010, Новосибирск, Россия), 2nd International Particle Accelerator Conference (2011, San Sebastian, Spain).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и одного приложения. Материал работы изложен на 76 страницах, включает 60 рисунков и список литературы, содержащий 46 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе рассматривается подход к получению высокой светимости коллайдера на основе концепции "круглых" встречных пучков. Показано, что при соблюдении следующих условий: равные бета-функции в месте встречи рх — j3z — /3*; равные эмиттансы ех = ег = е; равные дробные части бетатронных частот vx = vz — v — продольная компонента момента импульса частицы сохраняется. Благодаря дополнительному интегралу движения поперечные бетатронные колебания частиц становятся эффективно одномерными, что приводит к значительному подавлению бетатронных резонансов и позволяет увеличить параметр пространственного заряда ограниченный эффектами встречи. Приведены результаты компьютерного моделирования эффектов встречи для

электронно-оптической схемы ВЭПП-2000, демонстрирующие возможность достижения величины пространственного заряда £ = 0.16. Расчетная светимость коллайдера составляет 1 • 1032 см-2с-1.

Рис. 1. Схема накопителя ВЭПП-2000.

Далее в этой главе подробно описывается магнитная структура накопительного кольца ВЭПП-2000, состоящая из двух суперпериодов, обладающих зеркальной симметрией (см. рис. 1). Она включает два 3-метровых экспериментальных промежутка; две прямых секции (2.5 м), предназначенные для инжекции и ВЧ резонатора, и четыре коротких технических промежутка с четырьмя триплетами квадрупольных линз в них. Каждый триплет вместе с двумя поворотными магнитами с полем до 24 кГс представляет собой ахроматический поворот на 90°. Общий периметр накопительного кольца 24.38 метра.

Финальная фокусировка организована с помощью сверхпроводящих соленоидов с полем до 13 Т, расположенных симметрично вокруг каждого из двух мест встречи. Применение соленоидов для структур с круглыми пучками удобно из-за их аксиально симметричной фокусировки. Кроме того, соленоиды также вращают плоскость бетатронных колебаний. Рассмотрены несколько вариантов взаимной полярности соленоидов, при которых условия принципа круглых пучков выполняются автоматически. Основные параметры ВЭПП-2000 представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры структуры ВЭПП-2000 на энергии 1 ГэВ.

Периметр M 24.388

Частота ВЧ МГц 172.0

Номер ВЧ гармоники 14

Коэффициент уплотнения орбит 0.036

Синхротронная частота кГц 30.73

Эмиттансы ех, ez см-рад 2.2 • Ю-5,2.2 • 10~5

Потери энергии на оборот кэВ 63

Безразмерные декременты затухания 6X,5Z, 8а 3.0 • 10~5 3.0 • 10~5 6.6-Ю-5

Энергетический разброс сге 7.0 • Ю-4

Длина сгустка as см 3.3

PXiZ в месте встречи см 10

Бетатронные частоты Qx, Qz 4.1, 2.1

Число частиц в сгустке 1 • 1011

Число сгустков 1

Светимость см-2сек-1 1 ■ 1032

Вторая глава посвящена разработке магнитных элементов ВЭПП-2000. Описывается конструкция поворотных магнитов, квадрупольных линз и сверхпроводящих соленоидов. Приводится информация о системе коррекций, применяемых на ВЭПП-2000. Представлены двумерные и трехмерные компьютерные расчеты магнитного поля и данные о магнитных измерениях.

Параметры поворотных магнитов (см. рис. 2) определяются проектным диапазоном рабочих энергий и периметром накопительного кольца, который в свою очередь ограничен размером экспериментального зала ВЭПП-2000. При радиусе орбиты 140 см для достижения энергии 1 ГэВ необходимая величина поля в магнитах составляет 23.82 кГс. Ширина межполюсного зазора составляет 40 мм. С помощью компьютерного моделирования была создана физическая модель диполя, позволяющая получить необходимую величину ведущего поля при приемлемой однородности поля. Позже были проведены магнитные измерения, подтвердившие результаты расчетов.

Рис. 2. Общий вид поворотного магнита и зависимость величины магнитного поля от тока в обмотках.

На ВЭПП-2000 используется 24 квадрупольные линзы (см. рис. 3): 4 линзы длиной 19 см, 16 линз длиной 14 см и 4 линзы длиной 6 см. Линзы длиной 19 и 14 см имеют одинаковое поперечное сечение. Из них собраны триплеты арок и дублеты технических промежутков. Максимальный градиент магнитного поля в них составляет С = 5.2 кГс/см (радиус вписанной окружности 40 мм). Параметры этих линз также рассчитывались с помощью компьютерного моделирования. После магнитных измерений форма полюса линзы была доработана для минимизации нелинейных компонент магнитного поля. В детекторных промежутках между соленоидами и поворотными магнитами установлены квадруполи длиной 6 см. Они относительно слабые (0=1.1 кГс/см) и используются для согласования структурных функций арок и промежутка встречи.

Рис. 3. Поперечное сечение основной и расщепляющей квадрупольных линз ВЭПП-2000.

При применении принципа "круглых" пучков соленоиды являются важнейшими элементами магнитной структуры коллайдера. Сверхпроводящие соленоиды, использующиеся на ВЭПП-2000, являются и самыми сложными в техническом отношении магнитными элементами установки, потребовавшими для своего создания участия сразу нескольких лабораторий ИЯФ СО РАН. Соленоиды секционированы в продольном направлении на три части — две основных катушки с полем до 13 Т, предназначенные для финальной фокусировки пучка, и одна дополнительная катушка с полем до 8 Т (см. рис. 4). В экспериментальном промежутке детектора КМД-3 дополнительные секции используются для компенсации связи

X и Ъ бетатронных колебаний, вносимых соленоидом детектора. Стоит отметить, что при конструировании соленоидов было уделено значительное внимание защите их от срыва сверхпроводимости, для чего предусмотрен ряд средств: шунтирование катушек активными сопротивлениями, отключение источников питания в случае скачка напряжения на одной из катушек, разнообразные программные защиты от ошибок оператора.

Рис. 4. Продольное магнитное поле в соленоиде. Измерения и моделирование.

В кольце ВЭПП-2000 используется 60 корректирующих магнитных элементов — 12 секступолей, совмещенные с ними скью-квадруполи, горизонтальные и вертикальные дипольные коррекции, выполненные в виде дополнительных обмоток в поворотных магнитах и квадрупольных линзах (см. рис. 3).

В третьей главе рассмотрены источники питания магнитных элементов ВЭПП-2000: источник для поворотных магнитов со стабилизированным током до 10 кА и мощностью до 1.2 МВт, источник для основных квадрупольных линз с током до 300 А и мощностью до 4 кВт, двухпо-лярный водоохлаждаемый источник для сверхпроводящих соленоидов с током до 300 А, источник для разнообразных коррекций с током до 6 А. Все источники питания разработаны в ИЯФ СО РАН.

В четвертой главе описывается система автоматизированного управления и контроля магнитных элементов кольца ВЭПП-2000. Показана структура системы, принципы ее построения, составляющие ее элементы и аппаратное обеспечение. Особое внимание уделено высокоуровневым программным средствам, которые позволяют оператору управлять элементами как по отдельности, так и группами, сохранять и восстанавливать рабочие массивы параметров элементов, визуализировать текущее состояние и просматривать историю событий.

Рис. 5. Удельная светимость в зависимости от тока для круглого (ВЭПП-2000, 2008г) и плоского (ВЭПП-2М, 1976 г) пучков.

В пятой главе рассказывается про запуск коллайдера в рабочий режим и ускорительные эксперименты в первые два сезона работы. Показан вариант структуры кольца без сверхпроводящих соленоидов, который используется для получения высокого вакуума с помощью тренировки вакуумной камеры синхротронным излучением пучков. Описан эксперимент по проверке концепции "круглых" пучков, в котором сравнивались значения удельной светимости в зависимости от тока пучков для ВЭПП-2000 (режим круглых пучков) и ВЭПП-2М (плоский пучок), см. рис. 5.

Рассмотрен процесс калибровки энергии пучков в установке — по массе ^-мезона на энергии 510 МэВ и методом резонансной деполяризации на энергии 750 МэВ. Показан метод подъема энергии ВЭПП-2000 с двумя пучками от максимальной энергии инжекции (Е = 825 МэВ) до максимальной проектной энергии коллайдера Е — 1 ГэВ.

В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертации.

В приложении приведен последовательный список элементов четверти накопительного кольца ВЭПП-2000, начиная от места встречи и заканчивая центром технического промежутка, и их параметры при энергии 1 ГэВ.

Основные результаты работы

Данная работа посвящена созданию магнитной системы нового накопителя со встречными электрон-позитронными пучками ВЭПП-2000. Обоснован подход к получению высокой светимости коллайдера на основе концепции "круглых" встречных пучков и рассмотрены требования, которые она накладывает на оптическую структуру ускорителя. Приведены результаты компьютерных расчетов параметров встречных пучков.

На основе двухмерных и трехмерных компьютерных расчетов магнитного поля сконструированы и изготовлены поворотные магниты с ведущим полем до 24 кГс и квадрупольные линзы кольца с градиентом магнитного поля до 5.2 кГс/см. Для этих элементов проведены магнитные измерения и проанализированы их результаты. Система коррекций организована в виде дополнительных катушек в основных магнитных элементах — дипольные коррекции в поворотных магнитах и квадрупольных линзах, три типа секступолей и совмещенные с ними скью-квадруполи. Создана и опробована в работе система защиты сверхпроводящих соленоидов финального фокуса с полем до 13 Т.

Для управления и контроля магнитных элементов кольца создана автоматизированная система, построенная на принципах модульности с использованием современных аппаратных и программных средств. Значительное внимание уделено написанию высокоуровневых приложений, с помощью которых оператор может управлять элементами как по отдельности, так и группами, сохранять и восстанавливать рабочие массивы

параметров элементов, визуализировать текущее состояние и просматривать историю событий.

Запуск коллайдера в рабочий режим проведен в несколько этапов. Вначале был использован вариант структуры без сверхпроводящих соленоидов для получения высокого вакуума и выставки магнитных элементов. Затем были опробованы в работе несколько вариантов организации оптики "круглых" пучков и найден оптимальный режим, позволяющий вести накопление пучков и иметь высокие предельные токи электронов и позитронов.

В одном из первых ускорительных экспериментов была проведена проверка концепции "круглых" пучков. Было показано, что параметр пространственного заряда может достигать величины £ = 0.1 и выше. Была проведена калибровка энергии пучков накопителя двумя способами: по массе ф—мезона на энергии 510 МэВ и методом резонансной деполяризации на энергии 750 МэВ.

Разработан и опробован метод подъема энергии ВЭПП-2000 с двумя пучками до Е=1 ГэВ.

Опыт работы показал, что магнитная система накопителя соответствует проектным требованиям. Главным результатом работы автор считает успешное начало физических экспериментов с детекторами СНД и КМД-3 в двух экспериментальных сезонах 2010 - 2011 годов, в ходе которых была достигнута светимость 3 • 1031 см-2с-1.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Shatunov Yu.M., Evstigneev A.V., Ganyushin D.I., ... Shatunov P.Yu., et al. // Proceedings of European Particle Accelerators Conference 2000. - Austria, 2000, pp. 439-441.

2. Shatunov P.Yu., et al. Magnet structure of the VEPP-2000 electron positron collider. // Proceedings of 10th European Particle Accelerators Conference 2006. - Edinburgh, Scotland, 2006, pp. 628-630.

3. Berkaev D.E., Druzhinin V.V., ... Shatunov P.Yu., et al. Beams injection system for e+ e- collider VEPP-2000. // Proceedings of 10-th European Particle Accelerators Conference 2006. - Edinburgh, Scotland, 2006, p.622-624.

4. Berkaev D., ... Shatunov P.Yu., et al. Vepp-2000 collider control system.

- Prepared for ICALEPCS'09, Kobe, Japan, 10-17 Oct, 2009.

5. Berkaev D., ... Shatunov P.Yu., et al. The automation system of the electron-positron collider Vepp-2000. - Prepared for 13th ISTC SAC Seminar "New Perspectives of High Energy Physics Novosibirsk, Russia, 1-5 Sep, 2010.

6. Shatunov Yu.M.,... Shatunov P.Yu., et al. Status of VEPP-2000 Project.

- Prepared for XX Russian Particle Accelerator Conference, 10-14 September, 2006, Novosibirsk, Russia.

7. Berkaev D.E., ... Shatunov P.Yu., et al. First commissioning results of VEPP-2000. // ICFA Beam Dyn. Newslett, 2009, vol.48, p.235-242.

8. Shatunov Yu.M., Berkaev D.E., ... Shatunov P.Yu., et al. VEPP-2000 Electron-Positron Collider Commissioning and First Results of Round Colliding Beam Tests. - Prepared for 11-th European Particle Accelerators Conference EPAC-2008, 23-27 Jun 2008, Genoa, Italy.

9. Koop I.A., Otboev A.V., Shatunov P.Yu., Shatunov Yu.M. Plans for polarized beams at VEPP-2000 and U-70. - Proceedings of AIP Conf. (915), 2007, Vol. 915, p.153-161.

10. Berkaev D., ... Shatunov P., et al. Status and progress VEPP-2000. -Prepared for 21st Russian Particle Accelerators Conference, 28 Sep - 3 Oct 2008, Zvenigorod, Russia.

11. Romanov A., Berkaev D.E., ... Shatunov P.Yu., et al. Round Beam Lattice Correction using Response Matrix at VEPP-2000. - Prepared for 1st International Particle Accelerator Conference: IPAC'10, 23-28 May 2010, Kyoto, Japan.

12. Romanov A., Berkaev D.E., ... Shatunov P.Yu., et al. Correction the Round Beam Lattice of VEPP-2000 Collider Using Orbit Response Technique. - Prepared for 11-th European Particle Accelerators Conference EPAC-2008, 23-27 Jun 2008, Genoa, Italy.

13. Achasov M.N., ... Shatunov P.Yu., et al. First experience with SND calorimeter at VEPP-2000 collider. // Published in Nucl. Instrum. Meth., 2009, A598, p.31-32.

14. Shwartz D., ... Shatunov P., et al. Present status of VEPP-2000. // ICFA Beam Dyn. Newslett, 2010, vol.53, p.28-39.

15. Berkaev D.E., Shwartz D.B., Shatunov P.Yu., et al. The VEPP-2000 electron-positron collider: First experiments. // Journal of Experimental and Theoretical Physics, vol.113, N2, p.213-220.

ШАТУНОВ Петр Юрьевич

Магнитная система накопителя

с электрон-позитронными встречными пучками ВЭПП-2000

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 21.11.2011 г. Подписано в печать 22.11.2011 г. Формат 60x90 1/16 Объем 0.9 печ.л., 0.7 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 33_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

61 12-1/621

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ Г.И. БУДКЕРА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН

На правах рукописи

ШАТУНОВ ПЕТР ЮРЬЕВИЧ

МАГНИТНАЯ СИСТЕМА НАКОПИТЕЛЯ С ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННЫМИ ВСТРЕЧНЫМИ

ПУЧКАМИ ВЭПП-2000

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук Кооп Иван Александрович

НОВОСИБИРСК - 2011

Содержание

Введение ....................................................................3

Глава 1. Магнитная структура коллайдера ВЭПП-2000 . . 6

1.1. Выбор магнитной структуры и принцип круглых пучков ... 6

1.2. Описание коллайдера ВЭПП-2000 ................................10

Глава 2. Магнитные элементы коллайдера ВЭПП-2000 ... 18

2.1. Поворотные магниты .............................18

2.1.1. Проект и параметры магнитов............................18

2.1.2. Стенд магнитных измерений ............................22

2.1.3. Результаты магнитных измерений........................24

2.2. Квадрупольные линзы ...........................26

2.2.1. "Основные" квадрупольные линзы........................26

2.2.2. "Расщепляющие" квадрпупольные линзы................31

2.3. Элементы коррекций ..............................................32

2.3.1. Секступоли..................................................33

2.3.2. Скью-квадрупольные коррекции .........................34

2.3.3. Дипольные коррекции в поворотных магнитах..........35

2.3.4. Дипольные коррекции в квадрупольных линзах .... 35

2.4. Сверхпроводящие соленоиды......................................37

2.4.1. Параметры и конструкция ................................37

2.4.2. Коммутация и система блокировок ......................39

2.4.3. Магнитные измерения......................................41

Глава 3. Источники питания магнитных элементов

42

3.1. Источник питания поворотных магнитов................42

3.2. Источники питания "основных" квадрупольных линз ..... 44

3.3. Источники питания сверхпроводящих соленоидов........46

3.4. Источники питания элементов коррекций ............47

Глава 4. Система управления магнитными элементами ... 49

4.1. Структура системы управления .......................49

4.2. Высокоуровневые программные средства управления магнитными элементами ..................................................51

Глава 5. Опыт работы с магнитной системой коллайдера 56

5.1. Пробный запуск коллайдера без сверхпроводящих соленоидов 56

5.2. Получение высокого вакуума........ ........ ... 57

5.3. Калибровка средней энергии пучков ............................58

5.3.1. Калибровка энергии по массе 0-мезона ......... 59

5.3.2. Калибровка энергии методом резонансной деполяризации ......................... .... 60

5.4. Экспериментальная проверка метода круглых пучков ..... 63

5.5. Подъем энергии встречных пучков до 1 ГэВ ...............65

Заключение ....................................69

Приложение................................................................71

Литература ............................... . 72

Введение

В Институте ядерной физики (ИЯФ) СО РАН более двадцати пяти лет успешно работал комплекс ВЭПП-2М с э л ек т р о п - п о;;итрон н ыми Встречными пучками [I, 2]. Для производства пучков электронов й позитронов используется каскад ускорителей и накопительных колец: импульсный линейный ускоритель ИЛУ производит пучок электронов (1.5 А) с энергией 3 МэВ. который инжектируется 8 синхротрон Б-ЗМ. В зависимости от задачи электроны ускоряются до энергии 125 МэВ или 250 МэВ [3]. Ток выпускаемого пучка 200 •: 300 мА для низкой энергии и ™ 1000 мА для высокой. Пучок высокой энергии с помощью аксиальио-симметричных ли тиевых линз фокусируется на вольфрамовую мишень и порождае т электрон-позитроппый ливень. После мишени позитроны фокусируются с помощью нескольких линз и диполыгых магнитов и инжектируются в накопитель

Накопитель БЭП |4 ] рассчитан на энергию пучков от 125 до 900 МэВ. В зависимости от типа накапливаемых частиц магнитное поле меняет знак. Дублетная структура кольца с большой периодичностью обеспечивает большой акпеитапс для накопления позитронов и малый фазовый обьем затухшего пучка, что очень существенно для перепуска частиц в коллайдер. Время накопления необходимого количества частиц для перепуска в коллайдер 60 мА) порядка 50 секунд для электронов и порядка 30 минут для позитронов. После накопления БЭП ускоряет частицы и переводит их в накопитель ВЭПП-2М на энергии эксперимента (см. рисунок 1).

БЭП.

конвертер

Рис. 1. Общий вид комплекса ВЭПП-2М.

За годы работы ВЭПП-2М целым рядом детекторов была набрана интегральная светимость около 100 пб-1, что позволило с рекордной точностью измерить сечения рождения адронов при аннигиляции электрон-позитронных пар в области с энергией от 0.4 до 1.4 ГэВ в системе центра масс. Обработка данных ВЭПП-2М позволила определить параметры векторных мезонов (р, шиФ), вероятности их распадов в различных каналах и измерить с абсолютной точностью порядка 1% сечения рождения адронов при электрон-позитронной аннигиляции. Эти результаты экспериментов на ВЭПП-2М внесли существенный вклад в вычисления величин аномального магнитного момента мюона (д — 2)^ и постоянной тонкой структуры а(Мг) при энергии ^-мезона, так как весовые функции реакций рождения адронов в рамках Стандартной Модели подчеркивают роль низких энергий.

Однако к 2000 году, ввиду физического старения ВЭПП-2М и ввода в строй Ф— фабрики в Италии (Фраскати), встал вопрос о дальнейшей судьбе комплекса ВЭПП-2М. Надо отметить, что в области энергий выше ВЭПП-2М (до 2 ГэВ в системе центра масс) суммарный интеграл светимости, набранный к тому времени во всех лабораториях мира, примерно в 10 раз уступал результату ВЭПП-2М, хотя указанные выше физические задачи требовали проведения более точных измерений сечений рождения адронов. В области энергий до 2 ГэВ в системе центра масс ожидается проявление возбужденных состояний р, со и Ф-мезонов. Кроме того, в этом энергетическом интервале появляется уникальная возможность изучения рождения протон-антипротонных и нейтрон-антинейтронных пар.

В результате обсуждений в ИЯФ было решено заменить ВЭПП-2М на новый накопитель с большей энергией (до 1 ГэВ на пучок) и в 20-30 раз большей светимостью, используя во многом инфраструктуру комплекса — с сохранением системы воспроизводства пучков электронов и позитронов, системы импульсных и силовых источников питания и т.д. Кроме того, для выполнения поставленной задачи требовалось провести модернизацию и усовершенствование существующих детекторов КМД-2 [5] и СНД [6].

Такой подход позволял значительно сэкономить время и требуемые ресурсы. Однако строительство установки на большую энергию в рамках существующего экспериментального зала с учетом размещения двух детекторов строго ограничивало максимально достижимую энергию, выбор схемы инжекции пучков и, конечно, выбор подхода к получению высокой светимости.

В итоге, после многоступенчатого согласования часто противоречивых требований

со стороны накопительного кольца и детекторов был выбран вариант нового накопителя, который получил название ВЭПП-2000 [7].

Данная работа посвящена различным аспектам разработки и ввода в эксплуатацию магнитной системы нового коллайдера — от выбора электронно-оптической схемы ВЭПП-2000 до первых сезонов работы установки по физической программе.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Найден вариант построения электронно-оптической схемы нового накопителя с круглыми встречными электрон-позитронными пучками.

2. Создана магнитная система коллайдера и в двух экспериментальных заходах с детекторами КМД-3 и СНД доказана ее работоспособность во всем рабочем диапазоне энергий вплоть до 1 ГэВ.

3. Настроена система стабилизации и определения энергии пучков в накопителе по измерениям параметров магнитных элементов. Проведена абсолютная калибровка энергии пучков по массе ф—мезонного резонанса и по резонансной деполяризации.

4. Экспериментально проверена концепция круглых встречных пучков.

5. Реализована автоматизированная система управления и контроля магнитных элементов и источников их питания, построенная на принципах разделения подсистем и предоставляющая широкие возможности для работы операторов комплекса.

Глава 1

Магнитная структура коллайдера ВЭПП-2000

1.1. Выбор магнитной структуры и принцип круглых пучков

Ключевым вопросом для выбора электронно-оптической схемы коллайдера является достижимая светимость. Обычный прием — увеличение числа встречных сгустков — для условий ВЭПП-2000 не годится, ввиду невозможности организовать на ограниченном пространстве накопителя систему разведения пучков в "паразитных" местах встречи.

В начале 90-х годов в ИЯФ для проекта ^-фабрики [8] был предложен принцип круглых встречных пучков, позволяющий повысить параметр пространственного заряда, максимальное значение которого ограничено эффектами встречи. Известно, что для плоских пучков светимость определяется следующим выражением:

1 =-¡37?-+ ' (1Л)

где / — частота обращения, ге — классический радиус электрона, 7 — релятивистский фактор, ех — горизонтальный эмиттанс, ох. ах — среднеквадратичные размеры в месте встречи, /Зг — вертикальная бета-функция в месте встречи, а — параметры пространственного заряда:

£ =_МгеРх,*__/1 о1)

характеризующие величину эффектов встречи. В частности, на ВЭПП-2М были достигнуты величины = 0.02, = 0.05 [9]. Причины этих ограничений связаны с нелинейностью полей встречных сгустков, которые приводят к появлению нелинейных перекрывающихся резонансов. Движение частиц в этих условиях становится в значительной мере стохастическим, что приводит к раздуванию размеров пучков и тем самым ограничивает достижимую светимость.

В случае х-г симметрии (равные вертикальные и горизонтальные бета-функции в месте встречи и эмиттансы) параметры пространственного заряда одинаковы по обоим направлениям:

„ N гер Иге

а формула светимости упрощается к виду:

Отсюда следует, что при фиксированной плотности частиц (ахаг = а2) горизонтальный параметр значительно увеличивается в сравнении с вариантом плоских пучков. Вертикальный параметр при таких условиях уменьшается в два раза, и соответственно уменьшается сдвиг вертикальной бетатронной частоты от встречного сгустка, что позволяет увеличивать плотность частиц. Таким образом получается очевидное увеличение светимости за счет перераспределения размеров пучка в месте встречи.

Далее, хорошо известно, что двухмерное движение в поле центральной силы / = /(г) имеет дополнительный интеграл движения — продольную компоненту момента импульса:

М = Му = г ■ рх - х ■ рг. (1.5)

В этом случае движение сводится в полярных координатах к одномерному, гамильтониан которого выражается через г = \]х2 + г1 и рг = угпг с дополнительным центробежным потенциалом:

V2 М2

Известно также, что движение в центральном поле полностью интегрируемо только в двух случаях [10]: при II(г) ~ к/г и II(г) ~ к • г2 . Последний вариант центрального поля реализуется при встрече круглых пучков с постоянной плотностью в месте встречи.

Уравнения, описывающие координаты частицы относительно равновесной орбиты, могут быть записаны при отсутствии связи колебаний в виде:

х(я) = Ах/АгО) совО^я) + фх); фх(з) = = Ву/рг(з) совО^О) + фг); =

(¿51

(1.7)

Тогда:

А ( 0 (я)

х'(^ = соз{фх(в) + фх) - згп{-фх{з) + фх

\fPxKs) \ *

¿(3) = + ф*) - *п(фх(8) + ф;)) . (1.8)

Подставляя эти выражения в формулу для продольной составляющей момента импульса, получим для круглого пучка (/Зх = ¡3Z) при s — 0 (в месте встречи /З'х z = 0):

М(0)~ АВ sin (фг-фх). (1.9)

Теперь найдем значение M через оборот частицы s = П:

М(П) - АВ sin(uz -их + фг- фх)] vx z = ^,2(П). (1.10)

Таким образом, при равенстве бетатронных частот их = vz имеем сохранение момента М. Очевидно это утверждение справедливо и для накопителя с двумя местами встречи, если структура имеет зеркальную симметрию.

В отличие от пучка с постоянной плотностью в реальной ситуации встречные пучки электронов и позитронов имеют Гауссовское распределение плотности p(s) по всем трем направлениям с поперечными размерами aX)Z = у//3X¡Z • eXrZ и продольным размером <js. Для круглых пучков ех = tz = е ив месте встречи Дх = ¡3Z = ¡3*. Не смотря на то, что поле встречного сгустка в этом случае нелинейно, при "правильном" выборе фокусировки (as = у/2/3*), как показано в работе [11], даже в 3-х мерном случае для центральной частицы движение интегрируемо и близко к этому при As < as.

Подавление зависимости силы воздействия встречного пучка от времени можно также продемонстрировать на простом примере встречи коротких круглых сгустков (as « /3*). В этом случае поперечный "удар" fr, получаемый встречной тестовой частицей на некотором радиусе г, не зависит от 5:

/г~ m-p(s); p(s)~i//3(s). (1.11)

Реальная ситуация, конечно, сложнее рассматриваемого примера, но, в целом, можно ожидать, что временная модуляция удара за счет синхротронных колебаний частиц в круглом случае значительно слабее, чем для плоских пучков.

Эти предположения о большей устойчивости встречных пучков были проверены в компьютерном моделировании эффектов встречи. Результаты моделирования зависимости вертикального размера пучка от параметра £ для "сильно-слабого" случая и параметров ВЭПП-2М представлены на рисунке 1.1. Пунктирная линия — результат измерений z-размера на ВЭПП-2М для плоского пучка [12].

л

I

е£

О) «

л

X

л

1.8

1.6

§ 1.4

1.2

Плоский пучок, данные полученные на ВЭПП-2М

Круглый пучок, моделирование I

0.2

Рис. 1.1. Зависимость размера пучка от параметра

/

В работе 113| были проведены расчеты для оптики ВЭ1II1-2000 и в "гилыю-спл ы-юм'' случай. Как показано на рисунке 1.2 пучки остаются круглыми вплоть до значений параметра £ — 0.16. а рост поперечных размеров незначителен. Рост светимост и линейный до £ — ОД и слабо насыщается выше.

Е

3

си N

В

«

си СО

20

15

10

5

0

и

м

I

С

и

о со О

О С

3

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 £

Рис. 1.2. Размеры пучков и светимость ВЭПП-2000 в зависимости от параметра

1.2. Описание коллайдера ВЭПП-2000

Итак, для получения круглых пучков необходимо соблюсти следующие условия:

1. Равные бета-функции в месте встречи: вх — Щ = Р*-

2. Равные эмиттапсы: ех — е2 = е.

3. Равные бетатроппые частоты: их — — V-

Так как ВЭПП-2000 имеет два места встречи, для взаимной компенсации сдвига бетатрониых частот от встречного пучка эти частоты должны быть по возможности максимально приближены к целому резонансу. Другим важным параметром коллайдера являются его дисперсионные свойства. В промежутке встречи дисперсия должна быть равна пулю для минимизации влияния сиихротронного движений на эффекты встречи. Нулевую дисперсию также важно иметь в инжекшюшгом и резонаторном промежутках.

2 м

Рис. 1.3. Схема накопителя ВЭПП-2000.

Электронно-оптическая схема накопителя ВЭПП-2000 [14] изображена на рисунке 1.3. Периметр кольца составляет 24.39 метра. Это максимальная длина, которую удалось вписать в рамки экспериментального зала при условии достижения поля в поворотных магнитах до 24 кГс.

Кольцо накопителя состоит из 4-х ахроматических 90-градусных поворотов, каждый из которых содержит два дипольных магнита и триплет квадрупольных линз. Два из 4-х прямолинейных промежутка с нулевой дисперсией предназначены для организации мест встречи пучков и размещения детекторов КМД-3 [15] и СНД. Два других используются для инжекции пучков [16] и размещения высокочастотного ускоряющего резонатора с напряжением до 120 кВ, работающего на частоте 172 Мгц (14-ая гармоника частоты обращения частиц). В инжекционном промежутке установлены импульсные магниты для инжекции электронов и позитронов. Каналы инжекции пучков симметричны относительно электронов и позитронов, что позволяет при необходимости легко менять направления их движения в накопителе. Инжекция производится по однооборотной схеме в медианной плоскости. Пластины инфлекторов установлены в двух соседних со впуском дипольных магнитах. Причем, при инжекции электронов одна из них осуществляет предудар накопленного, а вторая "гасит" поперечные импульсы как впущенного, так и предударенного пучков. При инжекции позитронов пластины меняются ролями.

Финальная фокусировка в каждом промежутке встречи организована с помощью сильных соленоидов. Применение соленоидов для структур с круглыми пучками удобно из-за их аксиально симметричной фокусировки. Однако поле соленоида Ву вращает плоскость бетатронных колебаний, что приводит к их связи. В общем случае движения частиц с Х-Ъ связью можно показать, что важное для круглых пучков условие сохранения момента движения М через оборот частицы будет выполняться, если оборотная 4x4 матрица имеет вид матрицы соленоида:

Т =

А С

-С А

(1.12)

Здесь блоки А и С — матрицы 2x2. При этом матрица С отвечает за связь X и Ъ колебаний.

Легко видеть, что при условии поворота плоскости бетатронных колебаний в каждом соленоиде на 45° градусов Ву&5 = 7гБД; где В — магнитное поле в поворотных магнитах) можно сделать блок С равным нулю в нескольких случаях.

1. Простейшим вариантом включения является случай, когда поворот плоскости колебаний одним соленоидом компенсируется вторым соленоидом в том же промежутке. При этом плоскости бетатронных колебаний вне экспериментальных промежутков одинаковы в обоих полукольцах. Хотя этот вариант пр�